Bosón de Higgs

Archiu:CMS Higgs-event.jpg

Bosón de Higgs

El bosón de Higgs o partícula de Higgs és una partícula fonamental proposta en el model estàndar de física de partícules. Rep el seu nom en honor a Peter Higgs, qui, junt en uns atres, va propondre en 1964 el hui cridat mecanisme de Higgs per a explicar l'orige de la massa de les partícules elementals. El bosón de Higgs constituïx el quant del camp de Higgs (la més chicoteta excitació possible d'este camp). Segons el model propost, no posseïx espin, càrrega elèctrica o color, és molt inestable i es desintegra ràpidament: la seua vida mija és de l'orde del zeptosegundo. En algunes variants del model estàndar pugues haver varis bosones de Higgs.

L'existència del bosón de Higgs i del camp de Higgs associat serien el més simple de varis métodos del model estàndar de física de partícules que intenten explicar la raó de l'existència de massa en les partícules elementals. Esta teoria sugerix que un camp impregna tot l'espai i que les partícules elementals que interactuen en ell adquirixen massa, mentres que les que no interactuen en ell no la tenen. En particular, dit mecanisme justifica l'enorme massa dels bosones vectorials W i Z, com també l'absència de massa dels fotons. Tant les partícules W i Z com el fotó són bosones sense massa pròpia. Els primers mostren una enorme massa perque interactuen fortament en el camp de Higgs, i el fotó no mostra cap massa perque no interactua en absolut en el camp de Higgs.

El bosón de Higgs ha segut objecte d'una llarga busca en física de partícules.

El 4 de juliol de 2012, el CERN va anunciar l'observació d'una nova partícula «consistent en el bosón de Higgs»; pero es necessitaria més temps i senyes per a confirmar-ho. El 14 de març de 2013, el CERN, en dos voltes més senyes dels que disponia en el seu anunci del descobriment en juliol de 2012, es va trobar que la nova partícula s'assemblava encara més al bosón de Higgs. La manera en que interactua en atres partícules i les seues propietats quàntiques, junt en les interaccions medides en atres partícules, indiquen fortament que és un bosón de Higgs. Encara permaneix la qüestió de si és el bosón de Higgs del model estàndar o potser el més llauger de varis bosones predits en algunes teories que van més allà del model estàndar.

El 8 d'octubre de 2013 es va concedir a Peter Higgs, junt a François Englert, el Premi Nobel de Física «pel descobriment teòric d'un mecanisme que contribuïx al nostre enteniment de l'orige de la massa de les partícules subatòmiques, i que recentment va ser confirmat gràcies al descobriment de la predita partícula fonamental pels experiments ATLAS i CMS en el Colisionador de Hadrones de el CERN».

Introducció general

Archiu:Mecanismo de Higgs PH.png

Mecanisme de Higgs. Potencial de doble pou en una teoria de camps en ruptura espontànea de simetria.

En l'actualitat, pràcticament tots els fenomens subatòmics coneguts s'expliquen per mig del modele estàndar, una teoria àmpliament acceptada sobre les partícules elementals i les forces entre elles. No obstant, en la década de 1960, quan dit model encara s'estava desenrollant, s'observava una contradicció aparent entre dos fenomens. Per un costat, la força nuclear dèbil entre partícules subatòmiques podia explicar-se per mig de lleis similars a les del electromagnetisme (en el seu versió quàntica). Dites lleis impliquen que les partícules que actuen com a intermediàries de l'interacció, com el fotó en el cas de l'electromagnetisme i les partícules W i Z en el cas de la força dèbil, deuen ser no massives. No obstant, sobre la base de les senyes experimentals, els bosones W i Z, que llavors solament eren una hipòtesis, devien ser massius.

En 1964, tres grups de físics varen publicar de manera independent una solució a este problema, que reconciliava dites lleis en la presència de la massa. Esta solució, denominada posteriorment mecanisme de Higgs, explica la massa com el resultat de l'interacció de les partícules en un camp que permea el buit, denominat camp de Higgs. Peter Higgs va ser en solitari un dels proponentes de dit mecanisme. En la seua versió més senzilla, este mecanisme implica que deu existir una nova partícula associada en les vibracions de dit camp, el bosón de Higgs.

El model estàndar va quedar finalment constituït fent us d'este mecanisme. En particular, totes les partícules massives que ho formen interaccionen en este camp, i reben la seua massa d'ell. Fins a la década de 1980, no es va poder realisar cap experiment en el que s'utilisara l'energia necessària per a començar a buscar dit bosón, ya que la massa que s'estimava que podria tindre era massa alta (uns centenars de voltes la massa del protón).

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra, Suïssa, inaugurat en 2008 i els experiments de la qual varen escomençar en 2010, es va construir en l'objectiu principal de trobar-ho, provar l'existència del bosón de Higgs i medir les seues propietats, lo que permetria als físics confirmar esta pedra angular de teoria moderna. Anteriorment també es va intentar en el LEP (un accelerador previ de el CERN) i en el Tevatron (de Fermilab, situat prop de Chicago en Estats Units).

Història

Archiu:Mecanismo de Higgs PH.png  Archiu:Higgs, Peter (1929)3.jpg Els sis autors de les ponències PRL de 1964, els qui varen rebre el Premi Sakurai pel seu treball. D'esquerra a dreta: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout. A la dreta: Higgs

Els físics de partícules sostenen que la matèria està feta de partícules fonamentals les interaccions de les quals estan mediades per partícules d'intercanvi conegudes com partícules portadores. Al començament de la década de 1960 s'havien descobert o propost un número d'estes partícules, junt en les teories que sugerixen cóm es relacionaven entre sí. No obstant era conegut que estes teories estaven incompletes. Una omissió era que no podien explicar els orígens de la massa com una propietat de la matèria. El teorema de Goldstone, relacionat en la simetria contínua dins d'algunes teories, també semblava descartar moltes solucions òbvies.

El mecanisme de Higgs és un procés per mig del qual els bosones vectorials poden obtindre massa invariante sense trencar explícitament l'invariancia de gauge. La proposta d'eixe mecanisme de ruptura espontànea de simetria va ser sugerida originalment en 1962 per Philip Warren Anderson i, en 1964, desenrollada en un model relativista complet de forma independent i casi simultàneament per tres grups de físics: per François Englert i Robert Brout; Les propietats del model varen ser adicionalment considerades per Guralnik en 1965 i Higgs en 1966. Els papers varen mostrar que quan una teoria de gauge es combina en un camp adicional que trenca espontàneament la simetria del grup, els bosones de gauge poden adquirir consistentemente una massa finita. En 1967, Steven Weinberg i Abdus Salam varen ser els primers en aplicar el mecanisme de Higgs a la ruptura de la simetria electrodébil i varen mostrar cóm un mecanisme de Higgs podria incorporar-se a la teoria electrodébil de Sheldon Glashow, en lo que es va convertir en el model estàndar de física de partícules.

Els tres artículs escrits en 1964 varen ser reconeguts com una fita durant la celebració de l'aniversari 50.º de la Physical Review Letters. Els seus sis autors també varen ser guardonats pel seu treball en el Premi de J. J. Sakurai per a física teòrica de partícules (el mateix any també va sorgir una disputa; en l'event d'un Premi Nobel, fins a 3 científics serien elegibles, en 6 autors acreditats pels artículs). Dos dels tres artículs de el PRL (per Higgs i GHK) contenien equacions per a l'hipotètic camp que finalment es coneixeria com el camp de Higgs i el seu hipotètic quant, el bosón de Higgs. L'artícul subsecuente de Higgs, de 1966, va mostrar el mecanisme de decaiguda del bosón; solament un bosón massiu pot decaure i les desintegracions poden demostrar el mecanisme.

En l'artícul de Higgs el bosón és massiu, i en una frase de tancament Higgs escriu que "una característica essencial" de la teoria "és la predicció de multipletes incomplets de bosones escalares i vectorials". En l'artícul de GHK el bosón no té massa i està desacoplado d'estats massius. En els exàmens de 2009 i 2011, Guralnik afirma que en el model GHK el bosón és solament en una aproximació d'orde més baix, pero no està subjecta a cap restricció i adquirix massa a órdens superiors i agrega que l'artícul de GHK va ser l'únic en mostrar que no hi ha cap bosón de Goldstone sense massa en el model i en donar un complet anàlisis del mecanisme general de Higgs.

Ademés d'explicar cóm la massa és adquirida per bosones de vector, el mecanisme de Higgs també prediu la relació entre les masses dels bosones W i Z, aixina com les seues acoplament entre sí i en el model estàndar de cuarks i leptones. Posteriorment, moltes d'estes prediccions han segut verificats per precises medicions en els colisionadores LEP i SLC, confirmant abrumadoramente que algun tipo de mecanisme de Higgs té lloc en la naturalea, pero encara no s'ha descobert la manera exacta per la que succeïx. S'espera que els resultats de la busca del bosón de Higgs proporcione evidència sobre cóm es realisa açò en la naturalea.

Arrinconando al bosón de Higgs

Abans de l'any 2000, les senyes arreplegades en el Large Electron-Positron collider (LEP) en el CERN per a la massa del bosón de Higgs del model estàndar, havien permés un llímit inferior experimental de 114.4 GeV/c² en un nivell de confiança del 95% (CL). El mateix experiment ha produït un chicotet número d'events que podrien interpretar-se com a resultants de bosones de Higgs en una massa d'al voltant de 115 GeV, just per damunt d'este tall, pero el número d'events va ser insuficient per a traure conclusions definitives.

En el Tevatrón del Fermilab, també va haver experiments en curs buscant el bosón de Higgs. A partir de juliol de 2010, les senyes combinades dels experiments del CDF i el DØ en el Tevatron eren suficients per a excloure al bosón de Higgs en el ranc de 158 -175 GeV/c² al 95% de CL. Resultats preliminars a partir de juliol de 2011 varen estendre la regió exclosa per al ranc de 156-177 GeV/c² al 95% de CL.

La recopilació de senyes i anàlisis en la busca de Higgs es varen intensificar des del 30 de març de 2010, quan el LHC va començar a operar en 3,5 TeV. Resultats preliminars dels experiments ATLAS i CMS de el LHC, a partir de juliol de 2011, exclouen un bosón de Higgs de model estàndar en el ranc de massa 155-190 GeV/c² i 149-206 GeV/c², respectivament, en el 95% CL.

A partir de decembre de 2011 la busca s'havia estretit aproximadament a la regió de 115–130 GeV en un enfocament específic al voltant de 125 GeV, a on tant l'experiment de el ATLAS i el CMS informen independentment d'un excés d'events, . Açò significava que, en este ranc d'energia, es varen detectar, en un número major que l'esperat, patrons de partícules compatibles en la desintegració d'un bosón de Higgs. Les senyes eren insuficients per a mostrar si estos excessos es devien a fluctuacions de fondo (és dir, casualitat aleatòria o atres causes), i el seu significat estadístic no era lo suficientment gran com per a traure conclusions o ni tan sols per a contar formalment com una "observació". Pero el fet de que dos experiments independents hagueren mostrat excessos al voltant de la mateixa massa va entusiasmar considerablement la comunitat de la física de partícules.

El 22 de decembre de 2011, la colaboració de DØ també va reportar llimitacions sobre el bosón de Higgs dins del model estàndar mínimament supersimétrico (MSSM), una extensió del model estàndar. Colisions protón-antiprotón (pp) en una energia de massa d'1,96 TeV els havia permés establir un llímit superior per a la producció del bosón de Higgs dins de MSSM des de 90 fins a 300 GeV i excloent tan β > 20-30 per a masses del bosón de Higgs per baix de 180 GeV (tan β és la relació dels dos valors de l'expectativa del buit del doblet de Higgs).

Per tot açò, a finals de decembre de 2011, s'esperava que el LHC poguera proporcionar senyes suficients per a excloure o confirmar l'existència del bosón de Higgs del model estàndar per a finals de 2012, quan s'haguera examinat la colecció de senyes de 2012 (en energies de 8 TeV).

Durant la primera part de 2012, els dos grups de treball de el LHC varen continuar en les actualisacions de les senyes tentativos de decembre de 2011, que en gran mida s'estaven confirmant i desenrollant encara més. També varen estar disponibles actualisacions en el grup que estava analisant les senyes finals des del Tevatrón. Tot açò va continuar per a resaltar i estretir la mateixa regió de 125 GeV, que estava mostrant característiques interessants.

El 2 de juliol de 2012, la colaboració de el ATLAS va publicar anàlisis adicionals de les seues senyes de 2011, excloent els rancs de masses del bosón des de 111,4 GeV a 116,6 GeV, 119.4 GeV a 122.1 GeV, i 129.2 GeV a 541 GeV. Varen observar un excés d'events corresponent a les hipòtesis de masses del bosón de Higgs d'al voltant de 126 GeV en un significat local de sigma 2,9. En la mateixa data, les colaboracions del DØ i el CDF varen anunciar més anàlisis, que varen aumentar la seua confiança. El significat dels excessos d'energies entre 115–140 GeV es va quantificar com de desviacions estàndar de 2,9, corresponent a una provabilitat d'1 en 550 de ser per una fluctuació estadística. No obstant, açò encara va quedar llunt de la confiança de sigma 5. Per tant, els resultats dels experiments LHC són necessaris per a establir un descobriment. Ells exclouen els rancs de la massa de Higgs de 100–103 i 147–180 GeV.

Es descobrix un nou bosón

En una nota interna del CERN, del 21 d'abril de 2011, es contextualizaba el rumor de que els físics del LHC havien detectat per primera volta el bosón de Higgs.

La nota interna parla de l'observació d'una resonància en els 125 GeV, just la classe de fenomen que s'esperaria detectar si s'haguera trobat un bosón de Higgs en eixe ranc d'energia. No obstant, l'elevat número d'events observats, fins a trenta voltes més dels predits en el model estàndar de física de partícules, sorprenia als propis investigadors.

A finals de 2011, dos dels experiments portats a terme en el LHC varen aportar indicis de l'existència del bosón.

El 22 de juny de 2012 el CERN va anunciar un seminari cobrint les conclusions provisionals per a eixe mateix any, i poc despuix varen començar a difondre's, en els mijos de comunicació, rumors de que açò inclouria un anunci important, pero no estava clar si es tractava d'una senyal més forta o d'un descobriment formal.

El 4 de juliol de 2012 varen ser presentats per el CERN, en la presència de varis científics, incloent al propi teòric del tema Peter Higgs, els resultats preliminars dels anàlisis conjunts de les senyes preses per el LHC en 2011 i 2012 en els dos principals experiments de l'accelerador (ATLAS i CMS). El CMS va anunciar el descobriment d'un bosón en massa 125.3 ± 0.6 GeV/c² a una significació estadística de sigma 4,9, i el ATLAS d'un bosón en massa 126.5 GeV/c² de sigma 5. Açò complix en el nivell formal necessari per a anunciar una nova partícula que és "consistent en" el bosón de Higgs.

L'estudi de les propietats i característiques de la nova partícula necessita encara més temps per a poder confirmar si realment es tracta del bosón de Higgs del modele estàndar o un dels bosones de Higgs que prediuen les teories supersimétricas o si es tracta d'una nova partícula desconeguda. S'espera que les senyes recopilades en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN puguen clarificar la naturalea d'este nou bosón.

En recents conferències, les senyes estudiades tiren més llum sobre la naturalea del bosón i, a lo manco de moment, confirmen que es tracta d'un bosón de Higgs encara que caldrà esperar per a saber quin és.